Fe.O, Fe(OH), FeCl,
Fe.O,
FeO Fe(OH). FeSO,
单质氧化物碱
盐
物质类别
图2铁元素的“价类图”
通过“价类图”的学习和解读，学生能更清楚物质类 别与物质转化之间的关系，特别能清楚地知道各物种之 间的转化需要添加氧化剂还是还原剂，但“价类图”仍然 没能让学生明白元素的单质及其化合物在水溶液中发 生反应的一般规律，对溶液中发生反应的酸碱性要求没 有做到直观呈现。 二、基于氧化还原和电荷守恒思想构建“价荷图”及 其内涵 元素及其化合物等相关粒子在水溶液中的转化不
但与氧化还原反应有关，还与溶液的酸碱性有关。若反
应中有H +消耗（即阳离子消耗），依据电荷守恒，则必定 有阳离子生成；同理，若反应中有0H _消耗（即阴离子消 耗），依据电荷守恒，则必定有阴离子生成。例如，当不
为，课堂等复习教学中可以利用“价类图”组织教学，“价 类图”能够引导学生从氧化还原反应中的价态变化和物 质的分类两个视角进行分析，对元素的单质及其化合物 进行作图重构，有利于培养学生的统摄思维和概括归纳
能力，图2就是文献中涉及的有关铁元素的“价类图”。
一、元素的单质及其化合物转化关系图的发展历程在教学活动中，我们常会利用元素的单质及其化合 物之间的转化关系图来组织教学，如图1中的“铝三角” 就很好地描述了三种含铝粒子的转化与溶液酸碱性的 关系，如Al 3<；转化为AI (OH )4_，只需在含有Al 3+的溶液 中不断加强碱即可，而欲获得Al 3+则只需在其他含铝粒 子的物质中不断加强酸溶液即可，如A 1203、A 1(0H )3中 加强酸溶液一般都可以得到Al 3+。这类图表可视性强, 能有效帮助学生厘清元素的单质及其化合物之间的转 化关系和转化条件，但图1中的“铝三角”并未包含单质 铝及其他化合物之间的转化关系，单质A 1如何转化为 Al 3 +或41((^)3等则需要另外构建一个转化关系图。
《在问题解决中实现“铁三角”的复习》:1]中谈到图 1中的“铁三角”在组织教学中具有“设计问题建构知 识、探究问题深掘规律、灵活运用解决问题”等功能，但 “铁三角”又缺乏各型含铁粒子之间的转化对溶液酸碱 性要求的呈现。
+ OH
A I (O H ),
t -A I (O H )4
Cl:.0-H N 0f H:S04(^).K M n 04(H
(强氧化剂）
图1 “铝三角”与“铁三角”示意图
《利用价类图复习“常见无机物及其应用”》[2]中认 *
* 2020年浙江省教研规划课题“大概念引领下展开高中化学实验研究新范式”（课题编号:G 2020183)阶段性成果；中国化学
会化学教育学科委员会基础教育“十三五”规划2020年一般课题“大概念引领；新人教版高中化学必修课程单元教学模式的构建 研究”（课题编号:HJ 2020 - 0022)研究成果。
H I
31
堪础提高1^hu
tigao 2021年第2期
(总第535期）
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中V …爹教学参考
基于“體图，，探究麵W 电臓氧化钠繼嫌
吴文中罗一芳
(越州中学浙江绍兴312075)
摘要：通过对“铁三角” “铝三角”等元素的单质及其化合物转化关系图的剖析，借鉴“价类图”等相关理论，从化学 反应中元素价态变化、粒子所带电荷数和反应体系溶液酸碱性等多个视角，创造性地提出描述水溶液中元素的金属单 质及其化合物之间转化关系的“价荷图”，以铜及其化合物相互转化的实验证实“价荷图”的可靠性，借助"价荷图”思想 预测并设计双铜电极电解不同浓度氢氧化钠溶液的创新实验，体验“价荷图”在实验设计和深度学习中的统摄思想和 价值。
关键词：价荷图；创新实验；铜电极；电解；氢氧化钠溶液文章编号：1002-2201(202丨）024)031>04
中图分类号:〇633.8
文献标识码：
B
f p 巧•教学参考草莓托
2021年第2期(总第535期）
带电的单质A 1需要转化为带正电的AP +时，不仅需要 具有较强的氧化性物质参加，还需要在强酸性环境中完
成，而欲让不带电的单质A 1转化为带负电的Al (OH )4' 不仅需要较强的氧化性物质参加，还需在强碱性环境下 完成。鉴于此，基于氧化还原和电荷守恒思想，创造性 地构建“以某元素粒子所带电荷为横
坐标，以某元素粒 子中该元素的化合价为纵坐标”的图表，以含铝粒子为 例，建立的相关坐标如图3所示。
化
A | Al(O H).Al-O.AKC >H)4
A I
+3
t \
"
+H _电荷数
+O H
图3铝及含铝粒子的“价荷图”
为了行文方便，把这类含某金属元素各型粒子的转 化关系图暂称为“价荷图”，这种“价荷图”比“铝三角” 更为完整，因为该图不但包含了各型含铝粒子，而且还 能从图中发现各物种在水溶液中转化时对溶液酸碱性 的要求。同样可以构建含铜元素各型粒子的“价荷图”
(见图4)。
图4 铜及含铜粒子的“价荷图”注：图4中包含了两种不常见的含铜粒子，分别为高铜酸 根离子（Cu 02-)和氧化高铜（Cu 203)。
特别说明：“价荷图”讨论的是在水溶液中进行的各 粒子之间的转化，转化过程中所需的氧化剂强弱和酸性 强弱在“价荷图”中未能呈现。
那是否可以利用“价荷图”完成C u 转化为Cu 2+或 Cu (OH )】-等相关实验？依据“价荷图”的意义，若需在 水溶液中完成Cu 转化为Cu 2+需要两个条件——
氧化剂
和一定的酸性条件。
沙画工具
实验验证丨.在盛有少量铜粉和100 mL 1 m ol /L 硫 酸溶液的烧杯中滴加H 202溶液，并轻轻摇晃烧杯，
发现溶 液很快变为蓝，蓝溶液是因为得到CuS 04溶液的缘 故，反应的离子方程式为以+ 1〇2+2『=Cu 2+ +2H 20。
而若需在水溶液中完成Cu 转化为Cu (OH )〗_也需 要两个条件——
较强的氧化剂（如NaCIO 溶液）和强碱
性条件。
实验验证2.在盛有少量铜粉和100 mL 浓氢氧化钠
l #a u 。
M 础提品
溶液的烧杯中不断滴加〇.〇1 mol/L NaCIO 溶液（某品牌 84消毒液），并轻轻摇晃烧杯，发现溶液很快变为蓝, 反应的离子方程式为Cu + C 1CT + 20H — + H 20 =
c u (〇H
):- +电梯线束
c r
。
实验之所以需要浓氢氧化钠溶液是因为若氢氧化钠
溶液浓度偏低，就有可能得到高铜酸钠（NaCu 02)，图4中 Cu 02_在Cu ( O H
的左边，因此，由C u 转化为
Cu (OH )广的碱性需更强才能完成，为此进行实验验证3。
实验验证3.取少量铜粉和较浓的氢氧化钠溶液于 烧杯中，然后滴加一定量的〇.〇1 mol/L NaCIO 溶液，搅 拌后剧烈反应，同时产生气体（〇2)，混合溶液先变为蓝 后很快转化为黑悬浊液（难溶于水的黑物质为 NaCu 02，相关证据见后文）。溶液变为蓝显然是因为 初始溶液碱性较强，得到了 Na 2Cu (OH )4溶液，随着反 应的进行，碱性逐渐减弱，于是Na 2Cu (OH )4被氧化为 NaCu 02，反应的离子方程式为2C u +3Cl 〇- +20『+ 2Na + =2NaCu 02 i +3CT +H 20o
为了验证Na 2Cu ( OH )4溶液可以转化为NaCu 02黑 沉淀的事实，特别设计实验验证4。
实验验证4.先在少量CuS 04溶液中加入浓氢氧化 钠溶液得到深蓝的Na 2Cu (OH )4溶液，然后向深蓝 溶液中逐滴滴加一定量〇.〇1 mol/L NaCIO 溶液，发现溶 液由深蓝先变为棕，最后转化为黑悬浊液。依据 图4中铜及含铜粒子的“价荷图”，在Na 2Cu (OH )4溶液 中加人NaCIO 溶液后，滴人NaCIO 溶液附近的溶液PH 减小,Cu (OH )〗_被氧化为Cu 203 (棕，相关证据见后 文），而后棕的Cu 203被氢氧化钠溶液溶解得到黑 的高铜酸钠（NaCu 02)，相关反应式为2Cu (OH )〗~ + CIO ' =Cu 2〇3 + c r +2H ,0 +40H ' ,Cu 203 + 2NaOH = 2NaCu 02 + H 20。
事实上，在（^0、(：11(01"丨）2、(：旧04等含铜物质中加 NaOH 和NaCIO 混合溶液也有类似的实验现象，反应后 都可以得到高铜酸钠黑物质，同时释放〇2:3]。综上，要获得在“价荷图”中越靠右的粒子，越需要 碱性更强的溶液环境；要制备越靠上的粒子，越需要过 量或更强的氧化性物质来实现；当然依据“价荷图”无法 获知得到某种物质所需的水溶液确切的pH ，如获得不 带电的CuO 并非指一定在中性条件下完成，实际上或许 须在碱性条件下获得，某种粒子在怎样的酸碱性条件下 制备，需要通过实验加以测定。
当教师谈到KMn 04的强氧化性时，往往会归纳以 下识记性结论：酸性环境中，M riO : —般转化为M n 2 +，中 性条件下转化为M n 〇2，而在碱性环境中转化为M nC ^。 实际上,M n (V 转化为M n 02并非一定完全在中性条件 下完成，在微酸性或微碱性条件下都能实现。利用锰及堵漏工具
C u 〇' C u O-__Cj i
Cu()H),C u (0
C u ，0C u
电荷数
铜及含铜价荷图
，氧化則 还原削
佘<0^32
堪础提高
含锰粒子的“价荷图”去理解上述结论，直观、方便、深 刻，同时也无须死记硬背。如M n 02与浓盐酸反应得到 M n 2+就可以用“价荷图”来解释和理解，锰及含锰粒子 的“价荷图”如图5所示。
：二歌中教学参考.一
一
ZH ON (.\l K HI W l l
F ( ^NKAO
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实验2.电解液为PH = 12的氢氧化钠溶液，阳极有 少量气泡，调高电源电压后，气泡明显增多，阳极铜表面 先变蓝后逐渐变黑；阴极有较多气泡产生，长时间电解 后，溶液基本无。
经分析，实验2中阳极铜表面的蓝固体为C u (OH )2,
Cu (0H )2在碱性环境下分解为CuO ，反应式如（1)。
C u (OH )2 =C u 0 + H 20
(1)
实验3.电解液为PH = 13的氢氧化钠溶液，阳极有 少量气泡，调高电源电压后，气泡明显增多，阳极铜表面
逐渐由光亮变黑，黑物质可以被稀硫酸溶解得到蓝 溶液，同时有少量气泡产生；阴极有大量气泡产生；一段 时间后，电解液中有棕物质生成，取少量棕悬浊液 加浓氢氧化钠溶液后得到浅蓝
溶液，过滤电解后的电 解质溶液，滤液为无，测其pH 基本不变，滤渣为棕， 滤渣中加硫酸溶液后得到蓝溶液的同时有大量气泡 产生，经检验此气体为〇2，棕固体加浓氢氧化钠溶液 后缓慢溶解得到蓝溶液，无明显气泡产生。
《探究氧化铜等物质催化次氯酸钠分解的反应机 理》[31分析认为电解液中的棕物质为氧化高铜 (Cu 203 ) ,Cu 203是一种氧化性较强的氧化物，与酸反应 得到Cu 2+和02，反应式如（2)。
2Cu ,0, +8H * =4C u 2+ +4H 20 + 02 |
(2)
Cu 20，与氢氧化钠溶液反应得到高铜酸钠 (NaCu 02)，高铜酸钠是一种难溶于水的黑物质，该物 质在水溶液中不稳定，特别是在酸性环境下很容易分 解4]，反应式如（3)和(4)。
Cu 203 +2NaOH =2NaCu 02 + H 20
(3)
4NaCu 02 +12H " =4Cu 2+ +02 | +4Na * +6H 20 (4) 棕固体加浓氢氧化钠溶液后缓慢溶解得到蓝 Na 2Cu (OH )4溶液，该过程从理论上可以释放出02，但 由于溶解缓慢，未见明显气泡产生，反应式如（5)。
2Cu 203 +8Na 0H +4H 20=4Na 2Cu (0H )4 +02 T (5) 实验4.电解液为PH = 13.5的氢氧化钠溶液，阳极有 大量气泡，阳极铜表面始终光亮，并有棕固体生成但随 即消失；阴极有大量气泡；几分钟后，溶液变为棕，一段 时间后，电解液转化为黑悬浊液，过滤电解后的电解质 溶液，滤液几乎为无，测其pH 明显下降，滤渣为黑固 体，固体中加硫酸溶液后得到蓝溶液，同时有大量气泡
产生，经检验此气体为〇2，黑固体加浓氢氧化钠溶液后 缓慢溶解得到蓝溶液，无明显气泡产生。
该实验说明，在阳极铜表面可以得到不带电的粒子 Cu 203，这是因为阳极铜表面产生02释放出H +，阳极铜表 面的碱性比电解液弱，因此得到Cu 203，当Cu 203扩散到碱 性更强的电解液中时，发生反应(3)得到黑物质，因此，该 黑悬浊液过滤后得到的黑固体高铜酸钠既能与硫酸溶 液反应得到CuS 04和02，也能与浓氢氧化钠溶液反应得到
33
预测：结合图4和图5两个“价荷图”可以获知铜在 强碱性条件下能被KMn 04溶液氧化，若碱性不够强则 可得到墨绿溶液；若反应体系碱性不很强且铜过量， 则可以看到反应体系中溶液的颜会出现紫红—绿
—黄（M n 02)的变化，之后的定性实验证明了上述 预测结果，这与“在氢氧化钠和蔗糖混合溶液中滴加 KMn 04溶液”实验的化学原理相似，也会出现紫红— 绿—黄（M n 02)的变化，其中蔗糖或单质C u 在反应 中表现出还原性，但得到的蓝Na 2Cu (OH )4溶液的颜 被实验中其他物质的颜所掩盖。
三、"价荷图”的应用——
设计双铜电极电解氢氧化
纳溶液的创新实验
利用图4的“价荷图”可以预测以铜为电极电解不 同浓度氢氧化钠溶液时，其产物可能有C u (OH )2、C u O 、 Cu 203、NaCu 02或Na2Cu ( O H )4等，如欲电解得到 Na 2CU (OH )4溶液，需要的电解液氢氧化钠溶液的浓度 一定是最高的。相关的实验设计、分析、讨论如下。实验用品：铜片电极（2 cm x 4 t :m )，电解质溶液为 pH = 1的硫酸、PH 分别为12、13、13.5、14的氢氧化钠溶 液以及饱和氢氧化钠溶液、稀氨水、稀硫酸、试管、烧杯、 电解槽、可调式学生电源、过滤装置等。实验条件：电极间距3.5 c 度25 T 左右。
实验装置：双铜电极电解 氢氧化钠溶液装置如图6 所示。
实验过程与讨论：
实验1.电解液为pH = 1的硫酸溶液，阳极无气泡, 从阳极Cu 表面扩散出溶于水的蓝物质，阴极有大量 气泡，一段时间后有红物质析出，溶液变为蓝。
实验1所得蓝溶液为CuS 04溶液，阴极红物质 为Cu ，即酸性条件下，阳极铜被氧化为Cu '符合“价荷 图”思想。
，电解电压3 V ，环境温2 cm x 4 cm
图6
电解装置示意图
M
M
丨〇,
M n1
M i0.
M V
Mi (0H ):N In
+2
0 I 2 ,
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+OH ~mp3手表
电荷数
锰及含锰粒子的“价荷图
化
削
还原則
佘<(0^图
电荷数
图7
铁及含铁粒子的“价荷图”
参考文献
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(本文编辑：青风)
£(02/0H )随0H 浓度的增大而减小，实际电极电位 变小，〇H _*度越大其还原性越强，因此出现双铜电极 电解氢氧化钠溶液时，电解液pH 越大，产生02越快的 现象。另外，在上述实验中，阴极铜表面可以出现变暗 的现象，限于文章篇幅和主题，这一问题不再讨论。
综上，采用一般的氧化还原反应和电解两种方案设 计的实验很好地体现了相关“价荷图”的理论思想，采用 “价荷图”不但能清楚铜及其各类化合物之间的转化，而 且还能明白元素的单质和化合物之间转化时可能的酸 碱性条件，创造性地提出各种可能发生的化学过程，双 铜电极电解不同pH 的氢氧化钠溶液所获得的氧化产物 与利用图4的“价荷图”预测的可能产物完全吻合。
四、结语
同样，若以Fe 元素为研究对象，基于氧化还原反应和 电荷守恒思想，其单质及含铁粒子的“价荷图”如
图7所示。依据图7，解释或研究制备Fe 304时可以利用向一 定比例的FVW 、Fe 2+溶液中滴加氢氧化钠溶液就可以完 成，或者在FeS 04溶液的强碱性溶液中通人一定量空气 等方法来获得Fe 304 5]；而若需制备Na 2Fe 04，则可以利 用Fe 、Fe 2\Fe 3 +等分别在氢氧化钠溶液和强氧化剂环34
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中教学参考
2021年第2期(总第535期〉
堪础提高
Na ^Ci ^O Hh 蓝溶液，发生反应(4)和(5)。
实验5.电解液为PH = 14的氢氧化钠溶液，阳极有大 量气泡，阳极铜表面始终光亮，电极表面有棕固体生成 但随即消失；阴极有大量气泡；几分钟后，溶液变为浅蓝 ，一段时间后，电解液转化为黑悬浊液，过滤电解后的
电解液，滤液为浅蓝，测其pH 明显下降，滤渣为黑固 体，黑固体中加硫酸溶液后得到蓝溶液，同时有大量 气泡产生，经检验此气体为〇2，黑固体中加浓氢氧化钠 溶液后缓慢溶解得到蓝溶液，无明显气泡产生。
由于实验5电解液的碱性更强，阳极铜表面产生的 棕物质（Cu 203 )能很快被氢氧化钠溶液溶解，最终得 到Na 2Cu (OH )4溶液，因此电解几分钟后电解液变为蓝 ，但随着电解的进行，电解液的pH 下降，阳极铜表面
表1实验现象及主要含铜产物比较
得到的棕固体Cu 203无法转化为Na 2Cu (OH )4溶液， 而只能得到NaCu 02，因此电解一段时间后，电解液转化 为黑的悬浊液，此时主要发生反应（3)。
实验6.电解液为饱和氢氧化钠溶液，阳极有大量气 泡，阳极铜表面始终光亮，可见阳极铜液面处有棕固体 生成并随即消失；阴极有大量气泡；几分钟后，电解液变为 蓝，过滤电解后的电解液，滤液为蓝，滤纸上无滤渣。
由于实验6的电解液为饱和氢氧化钠溶液，阳极铜 液面处产生的棕固体能与氢氧化钠溶液反应直接转 化为Na 2Cu (OH )4溶液，电解过程中碱性始终较强，因 此电解过程中无黑固体生成。
依据上述6个实验中实验现象的差异以及讨论、分析 结果，为方便特列表1比较实验现象及主要含铜产物。
实验序号
电解液p H
阳极电解液颜
P H 主要含铜产物
11无气泡蓝基本不变Cu 2 +212蓝一黑
无基本不变C u (OH )2、C u O
313黑棕(浊）
基本不变Cu 2〇3413.5光亮棕一黑(浊）明显下降Cu 203、NaCu 02514光亮浅蓝一黑（浊）
明显下降
NaCu 02,Na 2Cu (0H )4
6
—
光亮
蓝
—
Na 2Cu (OH )4
注：阳极表面除实验1无气泡外，随pH 增大，产生气体逐渐增多。
需要说明的是，阳极铜表面随电解液pH 变化，呈 现出pH 越大产生02越快的事实，其中在强酸和电源 电压为3 V 的情况下，阳极无气泡产生。这是由于境下都可以实现（限于文章篇幅，不再赘述），更多类似 的创新实验等待我们去挖掘、创新。
Fe ),Fe ()
F 5
'.Fe 〇'
Fe
O 1e
氧
化則 还原削喷墨打印机墨水
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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